3 种水性漆在杨木表面的润湿性对比研究∗

包新德 李 萍 吴义强 袁光明 左迎峰

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

杨木是我国重要的速生林树种，其种植面积广泛，生长速度快，适应性强，具有易加工、机械性能好等优点[1-6]，被广泛应用于家具建材、地板等行业[7-12]。表面涂饰对于木材保护具有重要意义[13-15]，但现有的杨木相关研究多侧重于改性以提高其物理力学性能，对其产品表面涂饰的研究鲜见报道。

润湿性作为木质材料表面研究的一个重要界面特性，通过接触角可表征某种液体在木材表面的黏附、渗透、铺展的难易程度和效果[16-26]。本文选取丙烯酸酯、聚氨酯、丙烯酸-聚氨酯共聚物3 种水性漆[27-28]，采用接触角测试仪对3 种水性漆在杨木表面的接触角进行测试，对比分析其在杨木表面的润湿性，旨在为杨木产品选择理想的水性涂料。

1 材料与方法

1.1 材料

毛白杨（Populus tomentosa）采自湖南永州林场，晚材，木段纵向长度1.8 m，直径12～18 cm，密度0.386 g/cm3，含水率8%～12%。丙烯酸酯水性漆（pH6.5）、聚氨酯水性漆（pH7.0）、丙烯酸酯-聚氨酯共聚物水性漆（pH7.0），均购于广东嘉宝莉化工有限公司。超纯水，实验室自制。

1.2 设备

接触角测试仪，OCA15 型，德国数据物理仪器有限公司。电热鼓风干燥箱，101-3AB型，天津市泰斯特仪器有限公司。ZWL-PAL-20 型理化分析型超纯水机，中沃水务环保科技有限公司。

1.3 试验方法

为避免温度对接触角检测结果的影响，试验在21 ℃的环境中进行。在杨木树干上随机选取一段，锯成规格为80 mm×30 mm×10 mm的杨木径切板和弦切板试样各5 个，用240 目砂纸均匀打磨试件表面两遍，使其表面粗糙度（Ra）达到2.8 μm，并将表面粉末擦除干净，以免影响接触角的检测。将打磨后的试样置于自来水中浸泡6 h,随后在箱式干燥箱中60 ℃温度条件下干燥24 h，使其含水率保持在12%左右，后放置于室内环境中等待24 h,测量水性漆在杨木径切面、弦切面的接触角，并根据接触角下降率分析其润湿性的变化规律。

1.4 接触角测试

将1微滴（约4 μL）水性漆随机滴在杨木试样表面，设定平衡时间为12 s，当水性漆在试件表面的润湿相对平衡时，利用接触角测量仪抓拍工具，获取并记录静态接触角。每个试件随机选取8个测点，检测结果取平均值即为该水性漆在杨木表面的接触角。水作为稀释剂，对水性漆黏度具有重要作用，因此本研究同时测定了超纯水在杨木径切面、弦切面的接触角。

2 结果与分析

2.1 超纯水在杨木表面的润湿性

超纯水分别滴落于杨木径切面、弦切面，其接触角检测结果如表1 所示。

表1 超纯水在杨木径切面、弦切面的接触角Tab.1 Contact angle of ultrapure water on poplar radial section and tangential section/（°）

由表1可知，超纯水在杨木弦切面和径切面的接触角平均值分别为25.15°和35.37°，弦切面接触角均小于径切面的接触角。接触角越小润湿性越好，说明超纯水在杨木弦切面的润湿性优于径切面。水是极性物质，其表面张力大,流动性好，易在杨木表面铺展、渗透，杨木径切面的孔隙率大于弦切面，弦切面比径切面光滑，使得水分子在同等条件下在径切面更易于铺展浸入杨木内部。

2.2 丙烯酸酯水性漆在杨木表面的润湿性

丙烯酸酯水性漆具有漆膜光亮坚硬、耐水性和耐腐蚀性能好、附着力强等优点。由表2分析得出，未经超纯水稀释的丙烯酸酯水性漆在杨木径切面的接触角平均值均小于弦切面，在径切面、弦切面的接触角平均值分别为71.26°、76.33°，说明丙烯酸酯水性漆在杨木径切面的润湿性优于弦切面，也表明丙烯酸酯水性漆不易渗入杨木表面。分别掺入质量为10、20 g和30 g的水稀释，其表面润湿性发生了较大变化，接触角呈现明显减小趋势。用30 g水稀释后的丙烯酸酯水性漆在杨木径切面的接触角相比于稀释前下降了51.66%，在弦切面的接触角下降了49.27%。由此可见，丙烯酸酯水性漆在杨木径切面的润湿性比弦切面的润湿性好。可能是因为丙烯酸酯水性漆本身黏度大，相较于以不同比例水稀释后的丙烯酸酯水性漆，其本身的表面张力差，不易渗入木材，水的掺入使其黏度变小，表面自由能增加，因此润湿性变好。

表2 丙烯酸酯水性漆在杨木径切面、弦切面的接触角Tab.2 Contact angles of acrylic water-based primers on poplar radial section and tangential section/（°）

2.3 聚氨酯水性漆在杨木表面的润湿性

聚氨酯水性漆具有漆膜硬度高、表面光滑、色彩明亮、附着力强、耐腐蚀耐水等优点。其在杨木径切面、弦切面的接触角检测结果如表3 所示。

表3 聚氨酯水性漆在杨木径切面、弦切面的接触角Tab.3 Contact angle of polyurethane waterborne primer on poplar radial section and tangential section/（°）试样编号 漆水质量比 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 平均值 标差

由表3 分析得出，未用水稀释的聚氨酯水性漆在杨木径切面与弦切面的接触角平均值分别68.61°、65.95°，在分别掺入质量为10 、20 g和30 g水稀释后，其表面接触角呈现明显下降趋势。相比于稀释前，用30 g水稀释后的聚氨酯水性漆在杨木径切面、弦切面的接触角分别下降了41.47%、36.12%，说明聚氨酯水性漆在杨木径切面的润湿性优于弦切面。此外，用10 g水稀释后的聚氨酯水性漆在杨木径切面、弦切面的润湿性变化不明显；用20 g和30 g水稀释后的聚氨酯水性漆在杨木径切面的润湿性优于弦切面，可能是因为杨木具有丰富且发达的导管，在干燥过程中因高温使得杨木内部抽提物随水分转移至表面填充空隙，不利于聚氨酯水性漆渗入，杨木径切面的孔隙数量大于弦切面，孔隙率越高，其表面积越大，自由基亦越多，加之水分子的增多，聚氨酯水性漆的黏度、流动性变好，有利于高分子化合物之间的结合，因而径切面的润湿性优于弦切面。

2.4 丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆在杨木表面的润湿性

丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆结合了丙烯酸酯和聚氨酯的各自优势，通过改性使得该共聚物水性漆具有漆膜干燥迅速等优势，其在杨木径切面、弦切面的接触角检测结果如表4 所示。。

表4 共聚物水性漆在杨木径切面、弦切面的接触角Tab.4 Contact angle of copolymer waterborne primer on poplar radial section and tangential section/（°）

由表4 可见，未经水稀释的共聚物水性漆在杨木径切面和弦切面的接触角平均值分别为60.54°和66.01°，在分别掺入质量为10、20 g和30 g水稀释后，其表面接触角呈现明显的下降趋势，相比于稀释前，用30 g水稀释后的丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆在杨木径切面、弦切面的接触角分别下降了39.59%、42.63%，因此弦切面润湿性比径切面相对较好，这可能是由于杨木横向的木射线薄壁细胞与纵向的木纤维相交形成的交叉面存在纹孔构造，有利于黏度较低的共聚物水性漆通过纹孔流通；此外，用240 目砂纸打磨后的杨木表面粗糙度较高，其表面的高分子聚合物分子链断裂，产生新的官能团，官能团具有较大的极性，使得杨木表面自由能增加，有利于共聚物水性漆和杨木表面的官能团结合，从而提高共聚物水性漆在杨木表面的渗透性。

2.5 3 种水性漆在杨木表面的润湿性对比

图1 3 种不同浓度的水性漆在杨木径切面(a)、弦切面(b)的接触角Fig.1 The contact angles of three diあerent concentrations of water-based primers on the poplar radial section (a) and tangential section (b)

由图1 分析得知，丙烯酸酯、聚氨酯、共聚物3 种水性漆在杨木表面的润湿性有较大差异，未经超纯水稀释的3 种水性漆中，丙烯酸酯水性漆在杨木表面的润湿性较差，聚氨酯水性漆次之，丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆的润湿性最好。用10 g水稀释后，丙烯酸酯漆比聚氨酯漆在杨木径切面的润湿性好；用20 g水稀释后，聚氨酯漆和丙烯酸酯漆在杨木弦切面的润湿性均没有明显变化，但聚氨酯漆比丙烯酸酯漆在杨木径切面的润湿性要好；用30 g水稀释后，丙烯酸酯漆在杨木径切面的润湿性较好，其次是共聚物漆在杨木径切面和弦切面的润湿性，然后是丙烯酸酯漆在杨木弦切面的润湿性，最后则是聚氨酯漆，其径切面、弦切面润湿性均比其他两种漆差。

根据图2，从未稀释到用30 g水稀释后的下降率来分析，丙烯酸酯水性漆在杨木表面的润湿性较好，其径切面、弦切面的接触角下降率分别为51.66%、49.27%；其次是丙烯酸-聚氨酯共聚物水性漆，其在杨木径切面、弦切面的接触角下降率分别为39.59%、42.63%；最差的则是聚氨酯水性漆，其在杨木径切面、弦切面的接触角下降率分别为41.47%、36.12%。由此可见，杨木产品最适宜选用丙烯酸酯水性漆进行涂装。本文未采取掺入更多比例的水分，因为水分过多易使水性漆漆膜质量受损，也会影响水性漆的干燥速度、涂饰效果、阻燃性能等，此外在涂饰时还可能导致流挂、发白、起皱等。

图2 3 种不同浓度的水性漆在杨木径切面和弦切面的接触角下降率Fig.2 The decrease rate of three diあerent concentrations of water-based primers on poplar radial section and tangential section

3 结论

超纯水在杨木弦切面的润湿性优于径切面；从接触角下降率可知，相比于未稀释的水性漆，经过不同质量的超纯水稀释后，这三种水性漆在杨木表面接触角呈现明显的下降趋势，其中丙烯酸酯漆和聚氨酯漆在杨木径切面的润湿性优于弦切面，共聚物水性漆在杨木弦切面润湿性优于径切面，从这三种不同种类漆的润湿性得知，丙烯酸酯水性漆相比于其他两种漆在杨木表面的润湿性更好，其次是丙烯酸聚氨酯共聚物水性漆，聚氨酯水性漆的润湿性较差，由此可见，在杨木产品上比较适宜选用丙烯酸酯水性漆进行涂装。